1 驱动桥概述

汽车驱动桥是传动系统的重要组成部分，一般位于传动系的末端。它主要由主减速器、差速器、半轴、桥壳等组成。

驱动桥的布置形式有多种，按照分布位置的不同可分为前驱、后驱和四驱（即两个驱动桥）。目前应用较为广泛的有发动机前置前轮驱动、发动机前置后轮驱动两种。发动机前置前轮驱动是将驱动桥与变速箱连为一体，扭矩在传递时直接从变速箱输入到主减速器，省去了传动装置。这使得整车结构更为紧凑，乘坐舒适性好，燃油经济性高。发动机前置后轮驱动是一种较为传统的布置形式，相比于前置前驱，驱动轮与地面有更大的附着力，因此该形式十分适合爬坡或加速启动，而且汽车的行驶平稳性和操纵灵活性好。此外还有发动机中置后轮驱动、发动机后置后轮驱动等等，不过应用范围较小。

驱动桥的功用主要有以下四点[1]：

①减速增扭，改变力矩的传递方向。汽车在行驶时要通过变速器来改变传动比，输出合适的转矩和转速。但是当变速器在最高档位时，输出的转速较高，因此需要将动力经主减速器处理，以降低转速，增大转矩。其次，发动机输出的动力要经过90°转向才能传给车轮，因此主减速器具有改变转矩传递方向的作用。

②满足左右车轮的差速要求，并合理分配转矩。汽车在不平路面行驶或转弯时，外侧车轮转速快，内侧车轮转速慢。为了满足这一要求，差速器通过行星齿轮的自转带动半轴齿轮，从而实现差速作用。同时，差速器还能合理的分配转矩以提高汽车通过性。

③传递转矩。驱动桥是一个动力传递机构，其中半轴的作用就是将差速器输出的转矩传到驱动车轮[2]。

④承载整车重量及传力。驱动桥中的桥壳具有很强的刚度和强度，其承受着路面与车架之间的铅垂力，也要承受驱动力和制动力等纵向力以及车辆转弯时产生的横向力。

2 差速器的结构与原理分析

差速器的功用主要有两种，一是将主减速器传来的动力传给左右两个半轴，二是起差速作用，保证车轮与地面做纯滚动。

2.1 圆锥齿轮差速器的结构分析

普通的圆锥齿轮差速器由2个半轴齿轮、行星齿轮轴（十字轴）、2-4个行星齿轮和壳体组成。动力按照主减速从动齿轮——差速器壳——行星齿轮轴——行星齿轮——半轴齿轮——半轴——驱动轮的顺序传递。当汽车右转弯时，附加阻力作用在行星齿轮上，所形成的力矩起到差速作用。其自转使行星齿轮左侧的圆周速度等于自转和周转速度之和，右侧等于自转和周转速度之差，导致左侧半轴转速加快，右侧半轴转速减慢，保证了汽车顺利过弯[3]。

差速器是一种行星齿轮机构，由于轴向力的存在，在实际使用过程中总会出现差速器磨损严重的情况，且以黏着磨损和疲劳磨损为主，这严重影响了差速器的工作性能，甚至影响了整车的安全性。因此在半轴齿轮和差速器壳体间装有平垫片，在行星齿轮和差速器壳体间装有球面垫片，同时要选择粗糙度低，硬度高的垫片，以减小差速器的磨损，延长使用寿命。

2.2 圆锥齿轮差速器的原理分析

2.2.1 差速原理分析

圆锥行星齿轮差速器工作原理如图1所示，ω0为主减速器从动齿轮的转速，由于差速器壳与主减速器从动齿轮固连在一起构成行星齿轮架，所以ω0既为差速器壳的转速。ω1、ω2分别为左右半轴齿轮的转速。

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图1 圆锥齿轮差速器的工作原理图

①汽车在平直路面沿直线行驶。

行星齿轮带动半轴齿轮一起，绕着半轴中心线公转，而无自转运动，此时ω1=ω2=ω3，差速器不起差速作用。

②汽车转弯行驶及其他行驶情况。

差速器起差速作用时，行星齿轮不仅有绕半轴中心线的公转，还有绕行星齿轮轴的自转。这时行星齿轮一侧的圆周速度等于自转和周转速度之和，另一侧等于自转和周转速度之差。设行星齿轮的自转为ω3，则外侧车轮及其半轴的转速将增高，其转速为：

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内侧车轮及其半轴的转速将降低，其转速为：

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z1、z3分别为外侧半轴齿轮和行星齿轮的齿数。

将以上两式相加可以得到：

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这就是圆锥行星齿轮差速器的运动特性方程式[4]。

2.2.2 扭矩分配特性分析

扭矩经主减速器传递给差速器，并由差速器按比例分配给左右两个驱动轮。在图1中，F表示行星齿轮受到十字轴的作用力，其方向指向上；行星齿轮两侧会受到F/2的反作用力，其方向指向下。ΔF表示由于摩擦元件运动带来的附加阻力。

①汽车在平直路面沿直线行驶。

当汽车在平直路面沿直线行驶时，差速器各摩擦元件没有相对运动，差速器只受到F、F/2的作用力，其受力达到平衡，且半轴齿轮的半径相等，都为r，因此传递给左右半轴的扭矩是相等的。输入扭矩M0、输出扭矩M1、M2满足下列关系。

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②汽车转弯行驶及其他行驶情况。

当汽车转弯行驶及其他行驶情况时，行星齿轮受到附加阻力ΔF并开始自转，其自转力矩为2ΔFr'（r'为行星齿轮的半径），此力矩使得行星齿轮对左右半轴齿轮施加大小相等，方向相反的力，如图1所示。

对于外侧半轴齿轮来说，其旋转速度较快、力矩较小，

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对于内侧半轴齿轮来说，其旋转速度较慢、力矩较大，

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M0、M1、M2满足下列关系。

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由于普通圆锥行星齿轮差速器的内摩擦力不大，所以传递给左右半轴齿轮的力矩可近似看成相等。这就是普通圆锥行星齿轮差速器的转矩分配特性。

2.2.3 力学特性分析

差速器中的内摩擦力矩存在于以下部位：一是行星齿轮与壳体、齿轮轴之间，内摩擦力矩统一用Msp表示；二是行星齿轮与滑动轴承之间，用Mbp表示；三是半轴齿轮与壳体之间，用Msd表示

①行星齿轮受力分析。

对行星齿轮进行受力分析，如图2所示。

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图2 行星齿轮受力分析图

Fn表示半轴齿轮对行星齿轮的正压力，将Fn分解为Fn1、Fn2、Fn3。Fn1是等效圆周力，它使行星齿轮有自转的趋势；Fn2是正压力的径向分量，它使行星齿轮与半轴齿轮之间有压紧的趋势；Fn3是正压力的轴向分量，它使行星齿轮有沿着齿轮轴移动的趋势。则有如下关系式：

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其中α是行星齿轮的压力角，θ是锥顶角。

由式（8）可得：

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设半轴齿轮的节圆半径为rd，行星齿轮的节圆半径为rp，与齿轮轴相配合的孔半径为rk，球面大端半径为r，背球面半径为Rs，差速器的输入扭矩为M0，则行星齿轮与壳体之间的正压力为[5]：

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μsp为行星齿轮与壳体之间的滑动摩擦系数，则两者之间的摩擦力为：

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摩擦力矩可表示为：

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经整理：

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同理，行星齿轮与滑动轴承之间的摩擦力为：

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经整理可得摩擦力矩为：

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②半轴齿轮受力分析。

对半轴齿轮进行受力分析，如图3所示。

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图3 半轴齿轮受力分析图

pagenumber_ebook=46,pagenumber_book=40表示行星齿轮对半轴齿轮的正压力，其可以分解为径向力pagenumber_ebook=46,pagenumber_book=40、轴向力pagenumber_ebook=46,pagenumber_book=40以及合力pagenumber_ebook=46,pagenumber_book=40，pagenumber_ebook=46,pagenumber_book=40除了包括等效圆周力外，还包括Msp、Mbp在半轴齿轮上产生的附加力。有如下关系式：

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式中，α行星齿轮的压力角，β是半轴齿轮的锥顶角。

由式（16）得

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设μsd是半轴齿轮与壳体间的动摩擦系数，则摩擦力为

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pagenumber_ebook=46,pagenumber_book=40对于内外半轴齿轮来说有不同的表达式，等效圆周力为pagenumber_ebook=46,pagenumber_book=40外侧齿轮表达式：

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内侧齿轮表达式：

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则外侧和内侧的摩擦力矩为：

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3 差速器的性能参数分析

评价差速器的性能参数主要有锁紧系数和转矩分配系数。

锁紧系数是表征差速器“锁紧”程度的物理量，目前锁紧系数K主要有两种表示方式，第一种是

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M1——快转半轴上的转矩；

M2——慢转半轴上的转矩。

即慢转半轴侧的转矩与快转半轴侧的转矩比的最大值。该表达式说明了使差速器工作的转矩条件，左右两侧半轴转矩相差的比值必须大于等于锁紧系数，差速器才会工作起差速作用。值是一个大于1的数。

第二种表达方式：

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式中

ΔM——差速器的内摩擦力矩；

M0——差速器的输入转矩。

即差速器的内摩擦力矩与输入转矩的比值。此表达式下的 K＜1。

转矩分配系数是慢转半轴的转矩占总输入转矩的总比值，用公式表示为：

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它表征了左右转矩的分配情况，显然ξ＜1，一般来说，ξ值较大的差速器其锁紧系数也较大。

锁紧系数K和转矩分配系数ξ是评价差速器的主要性能参数，企业在生产汽车时，会根据车型，适用路面和客户需求来选择合适的差速器。一般来说，似乎锁紧系数越大越好，但是过大的锁紧系数会带来一系列诸如转向困难、行驶不稳等问题，因此锁紧系数应限定在一个适当的范围内。对于普通圆锥齿轮差速器来说，K=1.1～1.5、ξ=0.55～0.6的取值是合适的，但是对于越野汽车等要在复杂路面行驶的车辆来说，还应继续提高锁紧系数。

4 结语

本文详细介绍了驱动桥和差速器的结构特点；重点研究了差速器的工作原理，从差速原理、转矩分配特性、力学特性三个方面进行了分析；在充分考虑内摩擦因素的基础上，构建了内摩擦力矩的计算模型；最后分析了锁紧系数和转矩分配系数对差速器性能的影响，为汽车选择合适的差速器有一定的指导意义。